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家庭网络围绕U-vMOS视频体验

http://www.c114.net ( 2015/10/13 10:06 )

1 简介

随着智能手机带动的移动互联网的快速发展,人们对带宽的要求与时俱进,提速呼声不断,这推动了百兆带宽快速普及,同时越来越多的运营商为了能在激烈的市场竞争中占得先机,开始从提供基础类带宽服务转变成聚焦用户体验的经营,借助业务体验提升网络经营能力。为了能提供更好的视频体验,出现了多种对视频质量评价的方法,U-vMOS 便是华为提出的一种主动评价视频给用户带来主观体验的技术手段。作为停留时间最长的家,家庭内部的网络直接影响到用户体验。

一般来说,家庭网络指的是从宽带进入家庭的ONT或者MODEM开始,到用户最终用来上网的终端设备的这一段连接网络。主要通过Wi-Fi来连接各种设备,少量通过以太接口连接,智能设备如手机、PAD和机顶盒等多样化的家庭终端要求有一个家庭Wi-Fi路由器来联接这些设备,并且保证高性能高可靠,因为数据流量不仅是内外网间的纵向流量,家庭网络终端间的横向流量也越来越大。以往功能单一的Wi-Fi路由器也开始进入更新换代期,Wi-Fi标准从802.11bg升级到11n到11ac,从单频到双频等等。家庭内部网络开始受到重视,快速发展。本文主要介绍通过基于U-vMOS 的监测,为了达到令人满意的视频体验,家庭网络应该达到的标准,其中有哪些关键点等问题。

2 U-vMOS视频体验标准

2.1 视频基础知识

视频压缩中的I帧、B帧和P帧

图 1  视频压缩中的I帧、B帧和P帧

MPEG-2视频压缩编码定义视频流主要由I、P、B三个帧组成

◆I帧含有所在图像所有的信息,采用帧内编码恢复自身图像;P帧是前向预测帧,根据前一个I帧或者P帧结合算法恢复自身图像;B帧是双向预测帧,根据前一个I帧或者P帧和后一个I帧或者P帧恢复自身图像

◆GoP长度(相邻两个I帧之间的长度)决定了压缩比,GoP长度越长,压缩比越高,视频流需要的带宽也越小。

图 2  IPTV视频流的报文封装

Frame帧内容包括:I/B/P帧标记、图像分辨率、帧率等。

码率一般可以通过接收到的视频流数据量和时间计算出来。

每个Frame一般采用一个PES头封装,在PES头中会记录该帧在视频播放时呈现的时间。

每个PES包按照TS帧来切割和封装,一个TS帧为188字节(包括4字节帧头),TS头中包括TS序列号,基于TS序列号可以计算媒体帧丢包率。

IPTV视频流采用UDP承载,一般都采用RTP封装协议,RTP头中包括RTP序列号,基于RTP序列号,可以计算IP丢包率。

2.2  华为U-vMOS视频体验评价标准介绍

华为提出了以用户体验为中心的视频体验指标体系标准U-vMOS,用来评价不同网络、不同屏幕、不同场景应用下的视频体验的好坏。U-vMOS视频体验标准从视频质量、互动体验、播放体验三要素来得出一个统一的OTT视频评估指标来衡量OTT视频的质量。

 

图1 U-vMOS建模方法

图2 sQuality的影响因子

图3 sInteraction的影响因子

图4 sView 的影响因子

U-vMOS值用于不同的业务体验结果对应的用户主观感知量化成统一的客观取值。 U-vMOS值将视频业务体验的主观感受分为5个层次,对应分值如下表。

表2-1 U-vMOS值与视频业务体验主观感受对应关系

分值
评分尺度
质量等级
5
质量很好没有察觉失真
很好 Excellent
4
觉察失真但不反感
好 Good
3
觉察失真且稍微反感
一般 Fair
2
觉察失真且令人反感
 Poor
1
觉察失真且令人很反感
很差 Bad

通常情况下,U-vMOS大于4分,认为体验质量非常好。

基于U-vMOS标准,对其中的各项KQI进一步分解,可以得出某一目标U-vMOS得分的条件下,网络需要提供的KPI:

基于U-vMOS 5分标准,分解出的网络要求已经大大超出当前网络的能力,我们认为,5分的标准需要依赖云/管/管革新的技术&方案才能达成。

中短期内,U-vMOS达到4分已经代表了较好的体验,我们将U-vMOS 4分设置为家庭网络优化达成的目标:带宽>100M、时延<20ms、丢包率<10-6

3 家庭网络标准建议

家庭网络首要关注的就是Wi-Fi组网,但是绝大多数家庭Wi-Fi覆盖是依赖于单点的覆盖,提供的是一种尽力而为的体验,其网络质量的优劣依赖家里的地形、格局,甚至墙的厚度,比如下图所示,这是一个目前典型的家庭Wi-Fi 网络的示意图。

当前典型家庭Wi-Fi网络

图 3  当前典型家庭Wi-Fi网络

当前绝大多数家庭Wi-Fi 网络都是通过Wi-Fi 网关来进行单点覆盖,距离Wi-Fi 网关近的地方信号强,连接速率高,距离远或者有墙壁隔离的地方信号很弱,存在Wi-Fi覆盖问题,三房及以上户型单设备很难做到完美覆盖,除非违规加大功率。覆盖差就会必然带来网络性能/吞吐量的变差,在4K电视和家庭存储场景,Wi-Fi性能不达标,影响视频和文件传输体验,同时2.4G频段无线干扰非常大,不适合高带宽需求如承载4K视频等场景。

在这样的家庭Wi-Fi 网络情况下,除了靠近Wi-Fi 网关的客厅等地点,其他的大部分地方比如房间等会出现观看视频时出现丢包或者卡顿等现象,影响用户体验,U-vMOS 得分都不会超过4。

按照U-vMOS 的评价标准,我们对家庭网络标准定义是U-vMOS 的值在4以上,为了保证用户在家庭内能随时随地的拥有良好的视频体验,需对家庭Wi-Fi网络进行优化。

3.1 保证大接入带宽(家庭网络带宽>100M)

为了在家庭内任何地点能达到100M以上的连接速度,家庭的Wi-Fi网络将从集中式部署方式走向分布式,家庭部署多个Wi-Fi接入点(即AP),满足家庭不同终端在任意位置的多样需求。Wi-Fi Repeater、PLC Wi-Fi AP和网口联接AP等三种分布式AP,能够实现灵活扩展、即插即用,以及支持无缝切换体验,配合作为核心的智能ONT可以覆盖绝大部分场景。同时,智能ONT能够把各种类型的扩展AP联接并管理起来,并协同各AP为Wi-Fi设备分配资源。

图 4  家庭Wi-Fi覆盖解决方案

3.2 减少传输过程的丢包(家庭网络丢包率<10-6)

Wi-Fi技术定义的MAC层CSMA/CA(载波监听多址接入/碰撞避免)机制规定Wi-Fi设备在侦听到其他信号时,设备都会暂缓传输数据直到该信号消失。Wi-Fi工作在2.4GHz和5GHz这两个免授权频段,由于是免授权频段,因此射频干扰几乎能来自于所有能发出电磁信号的装置——无绳电话、蓝牙手机、微波炉乃至智能仪表。而更大的干扰源则来自于Wi-Fi本身,在使用最为广泛的2.4GHz频段上,仅有1、6、11 三个互不干扰的信道,即使是在5GHz频段上,在排除了动态频率选择后,也仅有4个互不重叠的40MHz宽的信道。

因此,在有干扰的环境下,任何的无线干扰源都容易对Wi-Fi信号产生干扰和影响,轻则是信号失真,重则令数据包丢失,传输掉线中断。Wi-Fi的性能会发生急剧的下降。在家庭网络中,为了减少在的干扰而导致的视频业务丢包,首要的就是要减少干扰。建议做到如下几点:

  • 业务区分承载: 普通上网/下载业务通过2.4G Wi-Fi承载,视频业务通过5G Wi-Fi承载。通过将视频业务固定通过5G频段来承载,有效减少2.4G频段的干扰,减少丢包。
  • 跨房间互联采用G.hn PLC方案,通过有线承载,减少AP间的干扰。但是注意PLC不能插在防雷插排上,主、从PLC之间电力线长度保持在10m的距离内,以免影响互联效果。
  • 每个房间内仅布置1个AP(天线数目大于2为佳),Wi-Fi 覆盖固定选择5G,且设置信道带宽为40MHz。
  • 不同房间AP的频点不同。减少同频带Wi-Fi 信号之间的干扰。
  • 为保证Wi-Fi的发送接收效果,建议AP与STB/电视距离保持在10m以内,STB/电视的Wi-Fi天线数目为2以上。
  • 从带宽的角度考虑,每房间内建议避免超过1台电视及1部PAD同时接入5G Wi-Fi观看4K视频的情况。且同时看视频的终端数小于3。
  • 家庭内不能使用未经EMI认证的家电,避免对Wi-Fi产生额外的干扰。

3.3 减少时延和抖动(家庭网络时延<5ms)

减少视频传输的抖动,主要是靠外部网络的优化。对家庭网络来说,除了前面提到的减少丢包的措施要实现外,在家庭网关上部署Qos,将视频业务作为最高优先级调度,也可以有效减少抖动。

3.4 在接入设备上部署基于U-vMOS的视频质量监控端

接入网解决方案中,视频业务质量监控探针内置在OLT和ONT上,OLT上上行板和PON板都可以作为监控点,ONT上是在ONT以太出口上作为监控点,可以对用户的U-vMOS质量进行监控。

当前接入网对视频业务质量监控的管理系统为U2000/N2510,后续可以和IPTV产品的MQMC(媒体质量监控中心)对接,从而MQMC可以对头端、机顶盒以及接入网络同时进行监控。

接入网视频业务U-vMOS解决方案

图 5  接入网视频业务U-vMOS解决方案

4 总结

家庭网络直接连接客户,直接影响客户体验,而视频业务又是当前的主流业务,所以保证用户体验很有必要,通过U-vMOS 得分为4分以上为目标,通过对家庭Wi-Fi网络进行优化后,用户Wi-Fi连接带宽带宽更高,网络更稳定,丢包/抖动情况更少,在影响U-vMOS得分的视频质量、操作体验、播放体验3个方面都会得到提升,是一种提升用户满意度的好方法。

缩略语表/Acronyms and Abbreviations

英文缩写
英文全称
中文全称
Fiber To The Home
光纤到户
PON
Passive Optical Network
无源光网络
ODN
Optical Distribution Network
光纤布线网络
OLT
Optical Line Terminal
光纤线路终端
ONU
Optical Network Unit
光纤网络单元
ONT
Optical Network Terminal
光纤网络终端
E2E
End to End
端到端
OPEX
Operating Expense
运营成本
U-vMOS
User(Unified, Ubiquitous)-Mean Opinion Score for Video
视频主观平均得分

   来源:C114中国通信网

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